Способы сжигания топлив. Тепловой баланс котлов

Сжигание твёрдого топлива может быть организовано различными способами:

- факельным;

- циклонным;

- слоевым;

- в кипящем слое.

Факельный.

Наиболее распространённый. Топливо, перемолотое в тонкодисперсную пыль, вдувается в горелочное устройство потоком воздуха. При скорости газового потока в топочной камере, превышающей скорость витания частиц, последние оказываются взвешенными в потоке, начинают перемещаться, сгорая в полёте в пределах топочной камеры. Сгорание топлива происходит за 1-2 секунды. Скорость сгорания, и следовательно тепловыделение во времени определяется поверхностью горения: чем мельче частица, тем сгорит быстрее, тем лучше транспортируется по топочному объёму. В топочной камере находится и одновременно сгорает ничтожное количество топлива - 20÷30 г на м³объёма. В связи с этим процесс чувствителен к нарушениям теплового режима.

Аэродинамической характеристикойфакельного процесса является уравнение Стокса:, где

d– диаметр частицы, м;

µ - динамическая вязкость газовой среды, Н∙с/м²;

W_п– скорость потока в камере, м/с.

Этим процессом пользуются и при сжигании газового и жидкого топлив. Газ поступает вместе с воздухом через горелку. В топочной камере газовоздушная смесь сгорает. Жидкое топливо поступает через форсунки в пульверизованном виде. Мельчайшие капельки испаряются, смешиваясь с воздухом, и сгорают в полёте.

Циклонный.

Транспорт частиц, как и при факельном способе, осуществляется газовоздушным потоком. Скорость несущего потока значительно выше критической.

Аэродинамической характеристикойциклонного процесса является неравенство:, где

С – коэффициент сопротивления частицы;

F– миделево сечение частицы, м²;

W_п– скорость потока в камере, м/с.

ρ_п– плотность газового потока в слое, кг/м³.

Частица циркулирует по контуру ровно столько, сколько необходимо для её сгорания. Циркуляция происходит за счёт центробежных сил подвижного уплотнённого слоя, подверженного интенсивному обдуванию. В результате частицы интенсивно выгорают и эффективно сепарируется жидкий шлак. Пребывание частицы в камере сгорания увеличено, по сравнению с факельным процессом, поэтому можно применять более крупный помол топлива, что снижает расход энергии на размол.

Этим процессом пользуются и при сжигании газового и жидкого топлив. Газ поступает вместе с воздухом через горелку и интенсивно сгорает в циклонном потоке. Жидкое топливо поступает через форсунки в циклонную камеру в пульверизованном виде, испаряется, смешиваясь с воздухом, и интенсивно сгорает.

Слоевой.

Свободно лежащее на решётке топливо продувается снизу воздухом. Скорость воздушного потока такова, что устойчивость слоя не нарушается. Для этого сила тяжести частиц должна быть больше напора газового потока.

Аэродинамической характеристикойслоевого процесса является неравенство:, где

G_ч0 – сила тяжести частицы;

С – коэффициент сопротивления частицы;

F– миделево сечение частицы, м²;

W_п– действительная скорость потока в слое, м/с;

ρ_п– плотность газового потока в слое, кг/м³.

Помол топлива составляет 20-30 мм. Для горящего слоя характерны высокая температура, преобладание в нём крупных частиц.

Кипящий слой.

В данном случае находящееся на решётке измельчённое топливо (1-6 мм) интенсивно продувается потоком воздуха из-под решётки, так, что частицы всплывают над решёткой и совершают возвратно-поступательные движения в вертикальной плоскости. Скорость потока (газовоздушного) в кипящем слое больше чем под ним. При этом мелкие и частично выгоревшие частицы поднимаются в верхнюю часть кипящего слоя, где скорость потока снижается и там сгорают и не уносятся с потоком. Кипящий слой увеличивается в объёме в 1,5-2 раза, его высота составляет 0,5-1 м.

Тепловоспринимающие поверхности располагают внутри кипящего слоя. Температура газов в горящем слое относительно невелика (800 – 1000°С), что исключает перегрев металла и уменьшает образование вредных окислов серы.

Аэродинамической характеристикойкипящего слоевого процесса является выражение:, где

G_ч0 – сила тяжести частицы;

С – коэффициент сопротивления частицы;

F– миделево сечение частицы, м²;

W_п– действительная скорость потока над слоем, м/с;

W_с– действительная скорость потока в слое, м/с.

ρ_п– плотность газового потока в слое, кг/м³. При этомW_п<W_с.

Тепловой баланс котлов.

Тепловой баланс характеризует равенство между приходом и расходом тепла: Q_прих=Q_расх.

Приходная часть баланса(располагаемое тепло) определяется:

Q_прих=Q=Q+Q_ф.т+Q_ф.в+Q_пар+(Q_экз–Q_энд) +Q_эл.

За основу теплового баланса принимается Q- низшая рабочая теплота сгорания единицы топлива (МДж/кг, МДж/м³), не учитывающая теплоту образовании водяных паров.

Q_ф.т- физическое тепло топлива,Q_ф.т= с_т∙t_т, где с_т- теплоёмкость топлива, МДж/(кг∙К), МДж/(м³∙К),t_т- температура топлива,⁰С.Q_ф.т- учитывается в случае предварительного подогрева топлива вне котла посторонним источником.

Q_ф.в- физическое тепло воздуха, как поступившего в котёл через воздушный подогреватель, так и присосанного через газоходы. Учитывается при подогреве вне агрегата за счёт постороннего источника тепла.

, где

- отношение количества воздуха на входе в парогенератор к теоретически необходимому;

; и - энтальпия теоретически необходимого количества подогретого и холодного воздуха.

Q_пар - учитывает тепло, вносимое в агрегат при паровом распылении мазута или при подаче под решётку пара для улучшения работы при слоевом сжигании антрацита.

, где

G_п - удельный расход дутьевого пара, кг/кг; при паровом распылении мазута – 0,3-0,35 кг/кг, при слоевом сжигании антрацита – 0,2-0,4 кг/кг;

- энтальпия дутьевого пара, МДж/кг; 2,51 МДж/кг - энтальпия водяного пара в продуктах сгорания, уходящих в атмосферу.

Q_экз - - учитывает тепло экзотермических реакций, возможных при осуществлении некоторых технологических реакций (обжиг колчедана в кипящем слое).

Q_энд- учитывает затраты тепла на возможные эндотермические реакции. Например, при сжигании сланцев часть тепла затрачивается на разложение карбонатов., где

4,05 – теплота разложения 1 кг карбонатной золы, МДж/кг;

к – коэффициент разложения карбонатов, 0,7-1,0;

- углекислота карбонатов.

Q_эл.- учитывают при выработке пара с использованием в качестве источника тепла электроэнергии. В этом случае для электропарогенераторов:Q_прих= Q_эл.

Часто принимают при составлении теплового баланса парогенератора Q_прих=Q=Q.

Расходная частьсодержит тепло, затраченное на выработку пара и различные потери, МДж/кг или МДж/м³.

Q_расх. =Q_пол.+Q_у.г+Q_х.н+Q_м.н+Q_н.о+Q_ф.ш+Q_охл.±Q_акк.

Q_пол.- тепло, полезно затраченное на выработку пара:Q_пол.=, где

- выход пара кг/с;

- расход топлива, кг/с или м³/с;

и - энтальпии перегретого пара и питательной воды, МДж/кг.

Остальные слагаемые представляют собой тепловые потери:

Q_у.г- потеря теплоты с уходящими газами, МДж/кг. Значение потерь с уходящими газами зависит прежде всего от значения энтальпии газовI_у.г, т.е. зависит от температуры этих газови их объёма, характеризуемого избытком воздуха α_у.г. Следует выбирать оптимальное значение.

Q_х.н- потери тепла от химической неполноты сгорания топлива, МДж/кг; В продуктах сгорания топлива могут находиться газообразные горючие компоненты СО, Н₂, СН₄. Их догорание практически невозможно из-за небольшой температуры за пределами топочной камеры и недостаточного количества кислорода. В процентном соотношении потери при сжигании газа и мазута составляютq₃= 0-0,5 %, при сжигании твёрдого топлива составляют 0. Для уменьшения этой потери следует хорошо перемешивать топливо с воздухом, повышать температуру в области горения, повышать скорости выхода топлива и воздуха из горелок.

Q_м.н- потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, МДж/кг; Механический недожог представляет собой коксовые частицы, которые в зоне факела частично обгорели. Потери можно разделить на потери с уносом и потери со шлаком.

Q_н.о- потери от наружного охлаждения внешних ограждений котла, МДж/кг; Обмуровка и обшивка котла и его элементы отдают часть теплоты в окружающую среду.. Потеря будет тем больше, чем выше температура обмуровки котла. Потери меньше у котлов с большей производительностью, чем у котлов с малой мощностью.

Q_ф.ш- потеря тепла с физическим теплом шлаков, МДж/кг; Потеря характеризуется тем, что удаляемый шлак имеет высокую температура и уносит теплоту, которая безвозвратно теряется.

Q_охл.- потеря тепла на охлаждение балок, панелей, не включенных в циркуляционную систему агрегата, МДж/кг;

Q_акк - расход (+) или приход (-), связанный с неустановившимся тепловым режимом работы парогенератора, МДж/кг; при установившемся тепловом состоянииQ_акк=0.

Схема теплового баланса парогенератора при установившемся тепловом режиме.

№78